KR101376995B1 - 레이저 가공 장치 - Google Patents

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Abstract

피가공품의 입체적 형상을 검출하는 것, 가공용 레이저의 초점 형성 위치의 정밀도를 보다 높게 하는 것 및 레이저 가공 장치의 콤팩트화를 실현한다. 레이저 출사부 구동장치(46)에 의해, 피가공물(12)에 대하여 레이저 출사부(22)를 근접 위치로부터 이격 방향으로 이동시키고, 이동중에 피가공물(12)을 카메라(34)로 순차 촬상하여, 촬상한 화상내에 미리 설정된 복수의 합초점 검출 위치(P1-n)에 대응하는 위치의 화소로서 합초점 검출 데이터를 추출하고, 상기 합초점 검출 데이터의 변화에 기초하는 합초점 검출 파형(W)을 합초점 검출 위치(P1-n)마다 각각 형성하고, 상기 각각의 합초점 검출 파형(W)으로부터 산출된 각각의 합초점 검출 위치(P1-n)에서의 각각의 합초점 검출 파형(W)의 피크치(PK)를 비교하여 상기 피가공물(12)의 양부를 판정하여, 양품인 경우에는, 합초점 위치까지 레이저 출사부(22)를 이동시켜 레이저 가공을 하여, 불량품이라고 판정한 경우는 레이저 출사를 행하지 않게 하는 레이저 가공 장치.
레이저 가공, 조명 장치, 카메라, 피가공물

Description

레이저 가공 장치{LASER MACHINING APPARATUS}
본 발명은 종래의 장치에서는 검출할 수 없었던 피가공물의 입체적 불량 형상품 및 이러한 입체적 형상 검사를 레이저 가공 위치에서 검출할 수 있는 동시에, 레이저 가공시에 있어서의 레이저의 초점을 고정밀도로 가공 위치에 맞출 수 있는 레이저 가공 장치에 관한 것이다.
레이저를 피가공물에 대하여 출사함으로써 피가공물을 증발 제거 또는 용접하는 레이저 가공이 종래부터 행하여지고 있다. 이러한 레이저 가공에 의하면, 에너지 밀도가 가장 큰 레이저의 초점을 피가공물의 가공 위치에 맞춤으로써, 가공 위치의 피가공물을 증발 제거 또는 용융하고, 피가공물의 절단이나 천공 또는 용접 등을 할 수 있고, 현재는 반도체 디바이스 기타 전자부품 제조에 이러한 레이저 기술이 다용되고 있다.
그런데, 최근 기술이 진전함에 따라, 반도체 디바이스의 기타 전자부품은 소형·고정밀도화의 일로를 걷고 있고, 레이저 기술에 대해서도 보다 높은 가공 정밀도가 요구되고 있다. 이러한 요구에 부응하기 위해서, 예를 들면, 레이저 가공에 사용되는 레이저로서 대표적인 YAG(이트륨·알루미늄·가넷) 레이저 대신에, YAG 레이저보다도 더욱 정밀 가공에 적합한 「고조파 레이저」를 사용하도록 되어 있 다. 그러나, 이러한 「고조파 레이저」는 초점 심도가 종래의 YAG 레이저와 비교하여 대단히 얕고, 「고조파 레이저」를 사용하는 경우에는 종래에 더하여 보다 정확한 초점을 맞추는 것이 요구되고, 정확한 초점 맞춤의 정밀도 여하에 따라서는 제품 수율에 크게 영향을 준다.
동시에, 전자부품이 소형·고정밀도화 됨에 따라, 내장되는 구성부재의 형상 양부(良否)도 엄격하게 문제시되어, 최근에는 그 입체적 형상의 양부도 문제로 되어 왔다. 바꾸어 말하면, 종래, 양품으로 되어 있던 형상의 부품이라도 레이저 가공 전에 엄격하게 제거되도록 요구되고 있다. 따라서, 높은 가공 정밀도가 요구되는 동시에 레이저 가공이 실시되는 피가공물의 입체적 불량 형상을 검출하는 능력에 대해서도 더욱 높은 정밀도가 요구되고 있는 것이 현상황이다.
종래부터 피가공물의 형상 검사를 위해 일반적으로 도입되어 있던 것이, CCD 카메라를 이용하는 방법이었다. 즉, 피가공물의 기준 형상의 화상(=기준 화상)을 기억시켜 두고, 순차 보내지는 피가공물을 CCD 카메라로 촬상하여 이 화상(=촬상 화상)을 비교하여, 촬상 화상과 기준 화상이 일치하는 경우에는 양품이라고 판단하고, 기준 화상에 대하여 촬상 화상이 다른 경우에는 불량품으로서 제거하도록 하고 있다(특허문헌 1). 그러나, CCD 카메라를 이용하는 방법은 평면형상에 대한 양부 판정에는 유효하지만, 전자부품에 내장되는 입체적 부재의 입체적 형상 판정, 및 레이저 가공 장치의 미세한 초점 맞춤에는 적합하지 않다. 그래서, 피가공물에 대하여 CCD 카메라를 경사시켜 촬상하고, 입체물의 형상 검사를 하는 발명이 제안되었지만, 본 발명과 같은 미소 입체물에는 적용할 수 없었다. 더욱이, 레이저의 초점 맞춤에 적용할 수 있는 것도 아니었다.
특허문헌 1: 일본 공개특허공보 평4-208844호
특허문헌 2: 일본 공개특허공보 평10-185827호
특허문헌 3: 일본 공개특허공보 평11-230728호
특허문헌 4: 일본 공개특허공보 평11-326235호
특허문헌 5: 일본 공개특허공보 2000-171409호
그 외, 일반적으로 가공부서의 바로앞에서 피가공물의 형상 양부를 판정하여, 불량품을 제거하고, 양품만을 가공부서에 공급하는 방법이 취해지고 있었지만, 이러한 방법의 경우, 1개의 레이저 가공 장치에 양부 판정부서와 가공부서가 병렬 설치되어, 장치 형상이 커지는 결점이 있고, 양부 판정부서로부터 가공부서로 반송중에 피가공물의 위치가 어긋나는 문제점도 있어, 상기 양부 판정과 가공의 고성능화에 더하여 장치의 콤팩트화도 요구되고 있었다.
본 발명은 이러한 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 그 주된 목적은 종래에는 검출할 수 없었던 불량 형상의 피가공품을 검출하는 것과, 가공용 레이저의 초점 맞춤의 정밀도를 보다 높게 하는 것 및 장치의 콤팩트화를 실현하는 레이저 가공 장치를 제공하는 것에 있다.
청구항 제 1항에 기재한 발명은,
삭제
(a) 가공용 레이저(X)를 피가공물(12)의 가공 위치로 출사하여 피가공물(12)을 가공하는 레이저 가공 장치(10)로서,
(b) 가공용 레이저(X)를 발생시키는 가공용 레이저 발생장치(14),
(c) 피가공물(12)을 비추는 조명광(Y)을 발광하는 조명장치(16),
(d) 가공용 레이저 발생장치(14) 및 조명장치(16)가 광학적으로 접속되고, 가공용 레이저(X) 및 조명광(Y)을 피가공물(12)로 향하여 출사하는 레이저 출사부(22),
(e) 레이저 출사부(22)를 피가공물(12)에 대하여 근접 이격시키는 레이저 출사부 구동장치(46),
(f) 레이저 출사부 구동장치(46)에 의해 피가공물(12)에 대하여 레이저 출사부(22)를 근접 이격 방향으로 이동시키고, 피가공물(12)로부터의 레이저 출사부(22)의 이격거리가 다른 촬상위치에서 조명광(Y)으로 비추어진 피가공물(12)을 순차 촬상하는 카메라(34),
(g) 다른 촬상위치에서 순차 촬상된 복수의 화상에 있어서, 피가공물(12)의 형상 검지에 사용하기 위해서 미리 설정된 화면내의 복수의 합초점 검출 위치(P1-n)에 대응하는 위치의 화소로서 검출한 합초점(best focused point) 검출 데이터를 순차 취출하고, 상기 합초점 검출 데이터의 변화에 기초하는 합초점 검출 파형(W)을 합초점 검출 위치(P1-n)마다 각각 형성하여 상기 각각의 합초점 검출 파형(W)으로부터 산출된 각각의 합초점 검출 위치(P1-n)에서의 각각의 합초 검출 파형(W)의 피크치(PK)를 비교하여,
(g-1) 상기 피크치(PK)의 전부가 미리 결정된 범위(=임계치) 내에 있는 경우는, 상기 피가공물(12)을 양품으로서 판정하여 피가공물(12)에 대한 레이저 출사부(22)의 합초점 위치(Xp)까지 레이저 출사부(22)를 이동시키고, 그 후, 레이저 출사부(22)를 작동시켜 피가공물(12)로 향하여 레이저 출사에 의한 레이저 가공을 행하게 하는 지령을,
(g-2) 상기 피크치의 1이 미리 결정된 범위로부터 벗어난 경우는, 상기 피가공물(12)을 불량품이라고 판정하여 레이저 출사를 하지 않도록 하는 지령을 레이저 출사부(22)에 출력하는 화상 처리장치(44)를 구비하는,
(h) 레이저 가공 장치(10)이다.
본 발명에 따르면, 피가공물(12)의 입체적 형상의 양부가 레이저 가공부서에서 레이저 가공 직전에 판정되기 때문에, 종래 예와 같은 형상 판정부서와 가공부서가 다르기 때문에 발생하고 있었던 피가공물(12)의 위치 어긋남을 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 양 부서를 1개로 모을 수 있기 때문에, 장치의 콤팩트화를 실현할 수 있다.
또한, 각각의 합초점 검출 위치(P1-n)에서의 각각의 합초점 검출 파형(W)의 피크치(PK)를 이용함으로써, 레이저 출사부(22)를 정확한 합초점 위치(Xp)에 설정할 수 있고, 가공용 레이저의 초점 맞춤의 정밀도를 보다 높게 할 수 있다. 바꾸어 말하면, 2차 또는 3차 또는 그 이상의 고차 고조파 레이저의 미세한 초점 맞춤에 대응할 수 있다.
더욱이, 각각의 합초점 검출 위치(P1-n)에서의 각각의 합초점 검출 파형(W)의 피크치(PK)를 비교함으로써, 레이저 가공 위치에서 레이저 가공에 앞서서 피가공물(12)의 입체적 형상의 판정도 간단히 할 수 있고, 후술하는 바와 같이 임계치를 피크치(PK) 근방의 미소 범위에 한정함으로써, 상기 고차 고조파의 초점 맞춤에 대응할 수 있게 된다.
또한, 여기에서 말하는 「합초점 검출 데이터」로는 카메라(34)로 촬상된 화상의 각 미소 부분을 검출하는 화소(또는 인접 또는 근접한 복수의 화소군)로부터의 휘도나 색상 등의 데이터를 추출·가공함으로써 얻어진 생(生)데이터, 또는 이들의 평균치(=카메라(34)의 승강 왕복 이동에 의해 얻은 동일 지점에서의 복수 생데이터의 산술 평균치), 표준 편차, 최소치와 최대치의 차, 및 최대치 등을 말하지만, 본 실시예에서는 1개의 생데이터를 채용하고 있고, 이하 이 경우에 기초하여 설명한다. 물론, 평균치, 표준 편차, 최소치와 최대치의 차, 및 최대치 등, 가공된 데이터에 기초하는 경우에도 동일하다.
또한, 피가공물(12)에 대한 레이저 출사부(22)의「합초점 위치(Xp)」는 상기 전체 합초점 검출 위치(P1-n)의 피크치(PK) 군의 산술 평균치 또는 어느 하나의 피크치(PK: 통상은 상기 평균치에 가장 가까운 어느 한 피크치(PK)) 또는 그 밖의 산출법으로서 산출된 값에 일치한다.
청구항 제 2 항에 기재한 발명은 화상 처리의 합초점 검출 위치(P1-n)가,
(a) 피가공물(12)의 중앙과 각 각부(角部)의 5개의 점(P-1)(P-3)(P-5)(P-7)(P-9),
(b) 피가공물(12)의 각 각부와 각 변의 8개의 점(P-1) 내지 (P-8),
(c) 피가공물(12)의 각 각부와 각 변 및 중앙의 9개의 점(P-1) 내지 (P-9), 또는
(d) 상기 9개의 점(P-1) 내지 (P-9)에 더한 피가공물(12)의 평면 상의 임의의 점인 것을 특징으로 하는 청구항 제 1항에 기재된 레이저 가공 장치(10)로서, 이러한 점들을 측정함으로써 종래 불가능하였던 입체형상, 특히 주발(椀)형 또는 컵(cup)형의 피가공물(12)까지 형상 측정이 가능해진다.
청구항 제 3 항은 본 발명에 사용하는 가공용 레이저에 관한 것으로, 「가공용 레이저가 2차 이상의 고차 고조파인」 것을 특징으로 하는 것으로, 이것에 의해 높은 가공 정밀도가 얻어진다. 또한, 청구항 제 1항 또는 제 2 항의 측정 방법을 채용함으로써, 2차 이상의 고차 고조파 레이저의 사용이 가능해진다.
본 발명에 따르면, 화상 처리의 합초점 검출 위치를 P1-n이라는 다수점으로 함으로써 피가공물의 유무, 입체형상의 피가공물의 양부 판정이 가능하게 되고, 특히, 5개 이상의 점들로 함으로써 종래에는 판정할 수 없었던 휘어짐이나 굴곡을 갖는 입체적 불량 형상의 양부 판별을 할 수 있다. 더구나 이러한 판별을 레이저 가공 직전에 레이저 가공부서에서 판정할 수 있기 때문에, 레이저 가공 장치의 콤팩트화를 도모할 수 있을 뿐만 아니라, 레이저 가공 장치에 있어서, 불량 형상의 검출 장소에서 레이저 가공 장소까지 반송하는 동안에 어긋난 피가공물의 위치를 수정할 필요가 없어지는 등의 이점을 갖는다. 또한, 각각의 합초점 검출 위치(P1-n)에서의 각각의 합초점 검출 파형(W)의 피크치(PK)를 이용함으로써, 가공용 레이저의 초점 형성 위치의 정밀도를 제 2 고조파나 제 3 고조파와 같은 고차 가공용 레이저의 사용에 견딜 수 있을 때까지 높게 할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 레이저 가공 장치를 도시하는 개념도.
도 2는 가공용 레이저 발생장치를 도시하는 개념도.
도 3은 본 발명에 따른 레이저 출사부를 도시하는 개념도.
도 4는 양품의 피가공물에 있어서의 8개소의 합초점 검출 위치를 도시하는 도면.
도 5a 내지 도 5c는 합초점 검출 위치에 있어서의 특징량에 기초하는 대표적인 파형을 도시하는 도면.
도 6은 양품의 피가공물에 있어서의 각각의 합초점 검출 위치에서의 파형을 도시하는 도면.
도 7은 피가공물이 존재하지 않는 경우에 있어서의 각각의 합초점 검출 위치에서의 파형을 도시하는 도면.
도 8은 불량 형상의 피가공물에 있어서의 각각의 합초점 검출 위치에서의 파형을 도시하는 도면.
도 9는 불량 형상의 피가공물에 있어서의 각각의 합초점 검출 위치에서의 파형을 도시하는 도면.
도 10은 불량 형상의 피가공물에 있어서의 각각의 합초점 검출 위치에서의 파형을 도시하는 도면.
도 11은 본 발명에 따른 레이저 가공 방법의 각 스텝을 도시하는 블록도.
(도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명)
10: 레이저 가공 장치 11: 마운트
12: 피가공물 14: 가공용 레이저 발생장치
16: 조명장치 18: 레이저 출사장치
20: 광파이버 21: 광파이버
22: 레이저 출사부 23: 레이저 출사부 위치 조정수단
25: 관형체 26: 집광렌즈
28: 가공용 레이저 반(半)반사미러 30: 조명광 반(半)반사미러
32: 카메라용 집광렌즈 34: 카메라
36: 출사구 38: 카메라 접속구
40: 가공용 레이저 출사구 42: 조명광 출사구
44: 화상 처리장치 46: 레이저 출사부 구동장치
100: 레이저 챔버 102: 공진기 미러
104: 공진기 셔터 106: 파워 측정 유닛
108: 분기 미러 110: 분기 셔터
112: 파워 조정 유닛 114: 광파이버 입사 유닛
116: 헬륨네온 레이저 발진기 118: 접이식 미러
본 발명에 따른 레이저 가공 장치(10)는 도 1에 도시하는 바와 같이, 마운트(11)에 탑재한 탄탈륨 콘덴서 등의 전자부품 구성 부재인 입체적 피가공물(12: 이 경우는 직방체 또는 입방체임)에 가공용 레이저(X)를 출사하여 입체적 피가공물(12)을 마운트(11)에 용접하는 등의 가공을 하는 장치로서, 가공용 레이저 발생장치(14)와, 조명장치(16)와, 레이저 출사장치(18)를 구비하고 있다. 또한, 레이저 출사장치(18)는 가공용 레이저(X) 및 조명광(Y)을 피가공물(12)로 향하여 출사 또는 조사하기 위한 장치이고, 도 1에 도시하는 바와 같이, 레이저 출사부(22)와, 레이저 출사부 위치 조정수단(23)을 구비하고 있다.
가공용 레이저 발생장치(14)는 가공용 레이저(X)를 발생시키는 장치이고, 본 실시예에서는 제 2 고조파 YAG 레이저(그 이상의 고차 고조파도 가능)를 발생시키는 것이 사용되고 있다. 또한, 가공용 레이저 발생장치(14)는 광파이버(20)를 구비하고 있고, 가공용 레이저(X)는 파이버(20)에 의해 레이저 출사부(22)로 이끌린다 또한, 가공용 레이저 발생장치(14)에서 발생시키는 가공용 레이저(X)는 제 2 고조파 YAG 레이저에 한정되지 않고, 피가공물(12)의 물성 및 가공의 내용에 따른 파장의 레이저를 선택할 수 있다.
가공용 레이저 발생장치(14)에 대해서 더욱 상세하게 기술하면, 가공용 레이저 발생장치(14)는 도 2에 도시하는 바와 같이, 레이저 챔버(100)와, 레이저 챔버(100)의 양측에서 소정의 간격을 두고 서로 대향하도록 설치된 한 쌍의 공진기 미러(102)와, 공진기 미러(102) 및 레이저 챔버(100)를 연결하는 광로 상에 각각 설치된 한 쌍의 공진기 셔터(104)와, 파워 측정 유닛(106)과, 분기 미러(108)와, 분기 셔터(110)와, 파워 조정 유닛(112)과, 광파이버 입사 유닛(114)과, 가시광 레이저(Z)를 발진하는 헬륨네온 레이저 발진기(116)를 갖고 있다.
레이저 챔버(100)는 그 내부에 플래시 램프(도시하지 않음) 및 YAG 로드(도시하지 않음)를 구비하고 있고, 이 플래시 램프를 발광시킴으로써 YAG 로드가 여기되어 빛에너지가 방출된다.
한 쌍의 공진기 미러(102)는 가공용 레이저(X)를 발진시키기 위해서, 레이저 챔버(100)로부터 방출된 빛에너지를 반사시켜 공진기 미러(102)끼리의 사이를 왕복시키는 장치이다. 또한, 한 쌍의 공진기 미러(102)가 설치되는 간격은 발진하는 가공용 레이저(X)의 파장에 따라서 적절하게 설정된다.
한 쌍의 공진기 셔터(104)는 공진기 미러(102) 및 레이저 챔버(100)를 연결하는 광로를 개폐하는 장치이다. 레이저 챔버(100) 내의 에너지가 충분히 축적될 때까지는 공진기 셔터(104)를 닫아 두고, 소정의 시간이 경과한 후에 공진기 셔터(104)를 열어 가공용 레이저(X)를 발진시킴으로써, 높은 강도의 가공용 레이저(X)를 얻을 수 있다.
파워 측정 유닛(106)은 가공용 레이저(X)의 강도를 측정하는 장치이고, 본 실시예에서는 공진기 미러(102)와 레이저 챔버(100)를 연결하는 광로를 레이저 챔버(100)로부터 도 2에서 상방으로 이격하는 방향으로 연장한 위치에 배치되어 있다.
레이저 챔버(100)로부터 발진된 가공용 레이저(X)는 광로 상에 설치된 분기 미러(108)에서 반사되고, 분기 셔터(110) 및 파워 조정 유닛(112)을 통과하여 광파이버 입사 유닛(114)에 도입된다. 그리고, 광파이버 입사 유닛(114)으로 도입된 가공용 레이저(X)는 집광되어 광파이버(20)로 도입된다.
또한, 1개의 레이저 챔버(100)에서 발생시킨 가공용 레이저(X)를 복수의 레이저 조사장치(18)에 공급하는 경우에는, 도 2에서 파선으로 도시하는 바와 같이, 분기 미러(108), 분기 셔터(110), 파워 조정 유닛(112), 및 광파이버 입사 유닛(114)이 복수 설치된다. 이 때, 가공용 레이저(X)를 대응하는 각각의 광파이버(20)로 향하여 분기시키기 위해서, 분기 미러(108)에는 반(半)반사미러(또는 하프 미러라고도 함)가 사용된다. 또한, 파워 조정 유닛(112)에 있어서, 분기된 각 가공용 레이저(X)의 강도를 조정함으로써, 각 가공용 레이저(X)의 강도가 각각 균일하게 된다. 또한, 필요에 따라서 분기 셔터(110)를 개폐함으로써, 가공용 레이저(X)를 도입하는 광파이버(20)를 적절하게 선택할 수 있다.
또한, 헬륨네온 레이저 발진기(116)로부터 발진되는 가시광 레이저(Z)가 접이식 미러(foldding mirror; 118)에서 반사된 후, 가공용 레이저(X)와 동일한 광로를 통과하도록, 헬륨네온 레이저 발진기(116) 및 접이식 미러(118)의 위치가 조정되어 있다. 이로써, 가시광 레이저(Z)를 가공용 레이저(X)의 발진 조정이나 입사 조정 등에 있어서의 가이드광으로서 이용할 수 있다.
조명장치(16)는 도 1에 도시하는 바와 같이, 레이저 출사부(22)의 피가공물(12)에 대한 초점 맞춤을 위해서 사용되는 가시광선인 조명광(Y)을 출사하는 장치이고, 본 실시예에서는 LED가 사용되고 있다. 또한, 조명장치(16)는 할로겐램프 등 다른 발광장치를 사용할 수도 있다. 또한, 조명장치(16)는 광파이버(21)를 구비하고 있고, 조명광(Y)은 광파이버(21)에 의해 레이저 출사부(22)로 이끌린다. 또한, 본 실시예에서는, 가공용 레이저(X) 및 조명광(Y)을 광파이버(20, 21)를 사용하여 레이저 출사장치(18)로 이끌고 있지만, 당연하게, 고정 광학계에서 이들을 실현하여도 좋다.
레이저 출사부(22)는 도 3에 도시하는 바와 같이, 관형체(25)와, 대물렌즈계(26)와, 가공용 레이저 반반사미러(28)와, 조명광 반반사미러(30)와, 카메라용 집광렌즈계(32)와, 카메라(34)를 구비하고 있다.
관형체(25)는 일단에 가공용 레이저(X) 및 조명광(Y)을 출사하기 위한 개구인 출사구(36)를 갖는 동시에, 타단에 조명광(Y)의 피가공물(12)에 의한 반사광을 카메라(34)로 이끌기 위한 개구인 카메라 접속구(38)를 갖는 단면이 원형인 파이프이다. 또한, 관형체(25)의 측면에는 광파이버(20)가 접속된 가공용 레이저 입사구(40), 및 광파이버(21)가 접속된 조명광 입사구(42)가 설치되어 있다.
대물렌즈계(26)는 레이저 출사장치(18)로부터 소정의 위치에 가공용 레이저(X)의 초점을 형성하는 볼록 렌즈나 오목 렌즈 그 외의 것을 장착한 렌즈계이고, 출사구(36)에 설치되어 있다.
가공용 레이저 반반사미러(28)는 표면에서 가공용 레이저(X)를 반사함과 동시에, 피가공물(12)에 출사된 조명광(Y)의 반사광을 통과하는 성질을 갖는 판형의 반반사미러이다. 또한, 가공용 레이저 반반사미러(28)는 가공용 레이저 출사구(40)로부터 입사한 가공용 레이저(X)를 출사구(36)로 향하여 반사시킬 수 있도록, 가공용 레이저 출사구(40)의 위치와 출사구(36)의 위치의 관계에 있어서 소정의 각도(예를 들면 45°)로 고정 또는 조절 가능하게 하여 관형체(25)의 내부에 배치되어 있다.
조명광 반반사미러(30)는 그 표면에서 조명광(Y)을 반사함과 동시에, 조명광(Y)의 반사광을 통과하는 판형의 반반사미러이다. 그리고, 조명광 반반사미러(30)는 조명광 출사구(42)로부터 입사한 조명광(Y)의 도광로의 광축(R)을, 가공용 레이저(X)의 광축(R)과 일치하도록 하여 출사구(36)로 향하여 반사시킬 수 있도록, 조명광 출사구(42)의 위치와 출사구(36)의 위치의 관계에 있어서 소정의 각도(예를 들면 45°)로 고정 또는 조절 가능하게 하여 관형체(25)의 내부에 배치되어 있다.
카메라용 집광렌즈계(32)는 피가공물(12)에 의해서 반사된 조명광(Y)의 반사광을 카메라(34)에 집광하는 렌즈계이고, 카메라 접속구(38)에 장착되어 있다.
레이저 출사부 위치 조정수단(23)은 도 1에 도시하는 바와 같이, 화상 처리장치(44)와, 레이저 출사부 구동장치(46)와, 카메라(34)와, 화상 처리장치(44) 및 레이저 출사부 구동장치(46)를 각각 전기적으로 접속하는 회로(48)를 구비하고 있고, 상기 레이저 출사부 구동장치(46)는 미리 설정된 레이저 출사부(22)의 이동 범위 내에서, 조명광(Y)으로 비추어진 피가공물(12)의 화상을 레이저 출사부(22)와 피가공물(12)의 거리가 다른 상태(즉, 피가공물(12)에 대하여 레이저 출사부(22)를 근접 이격 방향의 이동(=근접 또는 이격 방향만 또는 1 또는 수왕복 이동) 중에서, 잘게 나눠서 결정된 각각의 촬상위치(T))에서, 카메라(34)로 복수 촬상하기 위해서, 상기 범위내에서 레이저 출사부(22)를 피가공물(12)에 대하여 수직방향으로 근접 이격시키는 수단이고, 또한, 가공용 레이저(X)를 출사하기 위해서 가공용 레이저 출사 적정 위치(합초점 위치(Xp))에 레이저 출사부(22)를 이동시키는 수단이다.
카메라(34)는 레이저 출사부 구동장치(46)에 의해 미리 설정된 상기 범위내에서, 레이저 출사부(22)와 함께 피가공물(12)에 대하여 근접 이격 등을 하고, 또한, 조명광(Y)으로 비추어진 피가공물(12)의 화상을 레이저 출사부(22)와 피가공물(12)의 거리가 서로 다른 상기 상태로 복수 촬상하는 장치이다. 카메라(34)로 촬상되고, 레이저 출사부 위치 조정수단(23)의 화상 처리장치(44)에 출력되는 화상은 수십만에서부터 수백만의 화소로 구성되어 있다. 그리고, 이들 화소는 상기 화소가 갖는 휘도(=농담)의 값(이하, 「계조」라고 기재함. 예를 들면, 화소가 8비트의 정보로 구성되어 있는 경우, 256 계조가 됨)를 갖고 있다. 또한, 본 실시예에서는, 카메라(34)에 CCD 카메라가 사용되고 있다.
화상 처리장치(44)는 다음과 같은 동작을 실행한다. 우선, 레이저 출사부(22)의 이동 중의 각각의 촬상위치에 있어서, 카메라(34)로 촬상된 화상이 순차 보내져 오지만, 이 화상에 있어서, 피가공물(12)의 입체 형상 검지에 사용하기 위해서 미리 설정된 화면내의 복수의 합초점 검출 위치(P1-n)에 대응하는 위치의 화소로서 검출한 합초점 검출 데이터를 순차 추출하여 기억한다. 그리고, 상기 합초점 검출 데이터의 변화에 기초하는 합초점 검출 파형(W)을 합초점 검출 위치(P1-n)마다 각각 형성하고, 상기 각각의 합초점 검출 파형(W)으로부터 산출된 각각의 합초점 검출 위치(P1-n)에서의 각각의 합초점 검출 파형(W)의 피크치(PK)를 비교한다. 상기 피크치(PK)의 전부가 미리 결정된 범위(=임계치) 내에 있는 경우는, 상기 피가공물(12)을 양품으로서 판정하여 레이저 출사부 구동장치(46)에 의해, 피가공물에 대한 레이저 출사부(22)의 합초점 위치(Xp)까지 레이저 출사부(22)를 이동시키는 지령을 레이저 출사부 구동장치(46)에 낸다. 그 후, 피가공물을 향하여 레이저 출사에 의한 레이저 가공을 행하게 하는 지령을 레이저 출사부(22)에 낸다.
반대로, 상기 피크치의 1이 미리 결정된 범위(=임계치)로부터 벗어난 경우는, 상기 피가공물을 불량품이라고 판정하여 레이저 출사를 행하지 않도록 하는 지령을 레이저 출사부(22)에 출력한다. 본 실시예에서는 상기 작업을 실행하기 위해서 화상 처리장치(44)에 범용의 퍼스널 컴퓨터가 사용되고 있다.
상기 피가공물(12)을 양품으로 판정하고, 레이저 출사부 구동장치(46)에 의해 피가공물에 대한 레이저 출사부(22)의 합초점 위치(Xp)까지 레이저 출사부(22)를 이동시키는 경우, 상기 피크치(PK)가 합초점 검출 위치(P1-n)의 수만큼 존재한다. 따라서, 레이저 출사부(22)가 이동해야 할 피가공물(12)에 대한 합초점 위치(Xp)는 상기 피크치(PK) 군의 산술 평균 또는, 그 중의 평균치에 가장 가까운 피크치(PK), 또는 그 밖의 최적수단에 의해서 얻어진 수치를 채용하게 된다.
다음에 화상 처리장치(44)에서 행하여지는 화상 처리에 관해서 상세하게 기술한다. 피가공물(12: 양품)을 카메라로 촬상하였을 때에 피가공물(12)의 양호·불량 입체적 형상을 검출할 수 있을 가능성이 높은 합초점 검출 위치(P1-n)를 미리 8개소(P-1 내지 P-8) 설정하고 있는 경우에 대하여, 도 4를 사용하여 설명한다. 물론 이것에 한정되지 않고, 합초점 검출 위치(P1-n)는 복수이고, 실용상은 5개소 이상이다.
카메라(34)로 촬상된 화상(이동 범위 내의 이동중의 잘게 나눠진 촬상위치(T)에서의 화상; 잘게 나눠진 상태를 도 5a 내지 도 5c에 도시함)마다, 상술한 8개소의 합초점 검출 위치(P-1 내지 P-8)에 있어서의 화소(또는 그 근방의 화소를 포함시킨 화소군; 본 명세서에서는 단지 필요 없는 한 간단히 「화소」라고 함)의 합초점 검출 데이터를 순차 축적하고, 그 밖의 부분의 화소의 합초점 검출 데이터를 파기한다. 모든 화상에 대하여 합초점 검출 위치(P-1 내지 P-8)에 있어서의 화소의 합초점 검출 데이터의 축적이 종료하면, 다음에, 각각의 합초점 검출 위치(P-1 내지 8)마다 합초점 검출 데이터의 변화량을 플롯하여(plot), 합초점 검출 파형(W)을 그리게 된다.
즉, 각각의 합초점 검출 위치(P-1 내지 P-8)에 있어서의 화소의 합초점 검출 데이터(본 발명의 경우는 휘도 또는 농담임)를 카메라(34)로 촬상한 순(즉, 마운트(11)에 가까운 위치로부터 먼 위치로의 순)으로 그래프 상에 플롯하여 합초점 검출 파형(W)을 얻는다. 구체예에 합초점 검출 위치(P-1)에 있어서의 합초점 검출 파형(W)을 얻는 경우에 관해서 도 5a 내지 도 5c를 사용하여 설명한다.
도 5a 내지 도 5c에 있어서의 2점 쇄선은 카메라(34)의 이동(=연속 이동 또는 촬영중은 정지하는 간헐 이동)중에 카메라(34)로 피가공물(12)을 촬상하였을 때에 있어서의 레이저 출사부(22)의 위치로부터 시시각각 변화하고 있는 촬상위치(T)를 나타낸다.
본 실시예에서는, 촬상위치(T: 도 5a 내지 도 5c에서의 2점 쇄선)와 합초점 검출 위치(P-1)의 교점의 화소의 휘도를 합초점 검출 데이터로서 녹취하고 있고, 레이저 출사부(22)의 초점이 피가공물(12)의 각부(C)에 가까운 위치에 있을수록 핀트가 맞기 때문에 화소가 검출하는 휘도(또는 농담)가 높아진다.
따라서, 이동 범위에 있어서의 이들의 합초점 검출 데이터(휘도 등)를 플롯하면, 당연히, 도 5a에 도시하는 바와 같이, 레이저 출사부(22)의 초점이 피가공물(12)의 각부(C)에 가까운 위치(높이)에 있을수록 합초점 검출 데이터(휘도 등)가 피크로 되는 합초점 검출 파형(W)이 생성된다. 바꾸어 말하면, 이 합초점 검출 파형(W)의 피크치(PK)가 레이저 출사부(22)의 촛점 거리에 일치하는 합초점 위치(높이; Xp)라고 판정할 수 있다.
또한, 가령 각부(C)가 도 5b에 도시하는 바와 같이, 도 5a보다도 낮은 위치에 있는 경우, 합초점 검출 데이터(휘도)의 피크치(PK)는 낮은 위치에서 생기게 된다. 또한, 피가공물(12)이 존재하지 않는 경우, 즉, 합초점 위치가 존재하지 않는 경우는, 도 5c에 도시하는 바와 같이, 피크치(PK)를 발생하지 않는다. 또한, 레이저 출사부(22)의 초점 심도(핀트가 맞는 범위) 또는 그 이하의 수치(예를 들면 초점 심도의 1/2)를 임계치로서 설정하고, 피크치(PK)를 형성해야 할 피가공물(12)로부터의 높이 위치를 정해두면, 도 5a의 경우는 피크치(PK)가 임계치 범위내로 되어 양품이라고 판정된다.
한편, 도 5b의 경우는 피크치(PK)가 임계치 범위 밖이 되고, 피가공물(12)의 두께가 규격 외인 것을 알 수 있다. 또한, 도 5c의 경우는 피크치(PK)가 임계치에 도달할 수 없는 것이므로 피가공물(12) 없음으로 판정되게 된다. 이상과 같이 도 5a의 경우를 양품으로 하면, 피크치(PK)의 피가공물(12)로부터의 높이를 검출함으로써, 피가공물(12)의 높이 관계의 양부도 판정할 수 있다.
이러한 관계를 고려하여 도 6을 참조한다. 도 6에 도시하는 바와 같이, 피가공물(12)의 합초점 검출 위치(P-1 내지 P-8)에 있어서의 합초점 검출 파형(W)이 모두 같은 위치(높이 관계도 양품 범위에 들어가 있다고 함)에서 피크치(PK)를 갖는 형상을 나타내는 경우, 피가공물(12)의 형상은 4개의 모서리 및 4개의 변에서 굴곡이나 돌출 등 변형이 없는 양품이라고 판정할 수 있다.
가령, 피가공물(12)이 가공 영역에 존재하지 않는 경우는, 도 7에 도시하는 바와 같이, 합초점 검출 위치(P-1 내지 P-8)에 있어서의 파형의 피크가 임계치를 넘지 않고, 더구나 피가공물(12)로부터 멀어짐에 따라서 합초점 검출 데이터(휘도)가 점차로 작아지고, 합초점 검출 데이터(휘도)를 검지함으로써 피가공물(12)의 유무도 즉시 검출할 수 있다.
또한, 피가공물(12)이, 도 8에 도시하는 바와 같이, 휘어진 형상이며 한쪽의 단부가 높은 위치에 있는 경우는, 합초점 검출 위치(P-1 내지 P-3)에 있어서의 피크치(PK)와 비교하여, 합초점 검출 위치(P-5 내지 P-7)에 있어서의 피크치(PK)가 도면중 상측에 위치하는(=높은 위치에 합초점 위치가 있음) 결과가 얻어진다.
또한, 피가공물(12)이 도 9에 도시하는 바와 같이, 하측을 향하여 볼록하게 휘어진 형상인 경우는, 합초점 검출 위치(P-1 내지 P-3, P-5 내지 P-7)에 있어서의 피크치(PK)와 비교하여, 합초점 검출 위치(P-4 및 P-8)에 있어서의 피크치(PK)가 도면중 하측에 위치하는 결과가 얻어지고, 8점 측정에 있어서의 피가공물(12)의 휘어짐의 상태를 알 수 있다. 단, 피가공물(12)의 중앙을 측정하지 않기 때문에, 피가공물(12)이 주발형 또는 하향 주발형으로 변형되어 있는 것까지는 검출할 수 없다.
또한, 피가공물(12)이 도 10에 도시하는 바와 같이, 상측을 향하여 볼록하게 휘어져 있는 경우는, 합초점 검출 위치(P-1 내지 P-3, P-5 내지 P-7)에 있어서의 피크치(PK)에 비교하여, 합초점 검출 위치(P-4 및 P-8)에 있어서의 피크위치가 도면중 상측에 위치하는 결과가 얻어진다.
또한, 본 실시예에서는 합초점 검출 위치(P1-n)를 피가공물(12)의 각 각부와 각 변의 8개소 설정하였지만, 적어도 피가공물(12)의 중앙과 각 각부의 5개의 점들을 측정하면, 휘어짐이나 주발형 또는 하측을 향한 주발형으로 변형되어 있는 것을 알 수 있다. 또한, 피가공물(12)의 각 각부와 각 변 및 중앙의 9개의 점들을 측정함으로써 더욱 정확한 측정이 가능해진다. 또한, 상기 9개의 점들에 더하여, 피가공물(12)의 평면상의 임의의 점을 더욱 측정하면, 피가공물(12)의 평면상의 결함을 검출할 수 있다. 즉, 합초점 검출 위치(P1-n)의 수가 많을수록, 입체적 불량 형상의 피가공물(12)을 판정하는 정밀도를 높일 수 있다.
예를 들면, 합초점 검출 위치(P1-n)를 9개소 설정한 경우에 관해서, 도 9를 사용하여 설명하면, 피가공물(12)의 중앙부에 9번째의 합초점 검출 위치(P-9)를 설 정함으로써, 합초점 검출 위치(P-9)로부터는, 합초점 검출 위치(P-4 및 P-8)와 같은 파형을 얻을 수 있다. 따라서, 합초점 검출 위치를 8개소 설정한 경우에는, 도 9에 도시하는 불량 형상의 피가공물(12)의 중앙부가 오목하게 되어 있는지, 돌출한 형상으로 되어 있는지가 불명이며, 반복이 되지만, 합초점 검출 위치를 9개소 설정함으로써, 피가공물(12)의 상면은 요철이 없는 곡면일 가능성이 높다고 판정할 수 있다.
다음에, 본 실시예에 따른 레이저 가공 장치(10)를 사용하여 피가공물(12)을 가공하는 방법에 관해서, 도 11에 도시하는 블록도에 기초하여 설명한다. 또한, 상기 방법이 개시될 때, 피가공물(12)의 X-Y 방향(가공용 레이저(X) 및 조명광(Y)의 출사 방향과 직교하는 방향)의 위치 결정은 이미 완료하고 있다.
우선, 조명장치(16)로부터 조명광(Y)을 출사한다(조명광 출사 스텝[S-1]). 이 스텝에서는, 조명장치(16)로부터 출사한 조명광(Y)을, 광파이버(21)를 통하여 조명광 입사구(42)로부터 관형체(25) 내부에 입사한다. 관형체(25) 내부에 입사된 조명광(Y)은 조명광 반반사미러(30)에서 반사하여 출사구(36)의 방향으로 방향을 바꾸어, 대물렌즈계(26)를 통과할 때에 굴절된 후, 피가공물(12)로 향하여 조사되고, 피가공물(12)의 전체면을 균등한 밝기로 비춘다.
다음에, 레이저 출사부 구동장치(46)에 의해 레이저 출사부(22)를 미리 설정한 가장 피가공물(12)에 가까운 위치로 이동한 후, 레이저 출사부(22)를 피가공물(12)로부터 이격하는 방향으로 이동 범위만큼 연속 또는 간헐 이동한다. 상기 이동에 따라, 피가공물(12)로부터의 다른 이격거리에 있어서, 미리 설정한 매수의 피가공물(12)의 화상을 카메라(34)로 촬상하고, 화상 처리장치(44)에 출력한다(피가공물 화상의 촬상스텝[S-2]). 또한, 본 실시예에서는, 화상 처리장치(44)에 대하여, 다른 이격거리에 있어서 촬영하였을 때의 각각의 화상을 레이저 출사부(22)의 위치정보와 함께 레이저 출사부 구동장치(46)로부터 출력하고, 화상 처리장치(44)에서 기록한다.
그리고, 상술한 바와 같이 화상 처리장치(44)에서 피가공물(12)의 형상의 양부를 판정함과 동시에 합초점 위치를 판정하고(합초점 위치 판정 스텝[S-3]), 피가공물(12)이 불량 형상이라고 판정하는 경우는, 이후의 레이저 가공을 중지하고, 다음의 피대상물에 대하여 처음부터 레이저 가공 공정을 개시한다.
한편, 피가공물(12)을 양품이라고 판단하는 경우는, 피크치(PK)에 대응하는 화상을 촬영하였을 때의 레이저 출사부(22)의 위치, 즉 합초점 위치까지 레이저 출사부(22)를 레이저 출사부 구동장치(46)로 이동한다(레이저 출사부 이동 스텝[S-4]). 본 실시예에서는, 상술한 바와 같이 피가공물(12)을 촬영한 화상마다의 레이저 출사부(22)의 위치정보가 화상 처리장치(44)에 기록되어 있기 때문에, 합초점 검출 데이터의 피크치(PK)에 대응하는 화상을 촬영하였을 때의 상기 위치정보에 기초하여 레이저 출사부(22)를 합초점 위치까지 이동하게 되지만, 피크치(PK)는 복수개(최소 5개) 있으며, 예를 들면 이들의 산술 평균 또는 피크치(PK) 내의 중심에 가까운 값 또는 그 이외의 최적 방법으로 구한 값을 레이저 출사부(22)의 합초점 위치(Xp)로 하고, 이 위치까지 레이저 출사부(22)를 이동시키게 된다. 상기 피크치(PK)는 모두 레이저 출사부(22)의 초점 심도내에 존재하기 때문에, 어떤 값을 사 용하여도 핀트가 흐려지는 일은 없지만, 산술 평균치를 사용하는 것이 바람직하다.
레이저 출사부(22)의 이동이 완료하면, 최후에 가공용 레이저 발생장치(14)에서 가공용 레이저(X)를 발생시키고, 광파이버(20)를 경유하여 가공용 레이저 출사구(40)로부터 가공용 레이저(X)를 관형체(25) 내부로 출사하고, 피가공물(12)을 레이저 가공한다(레이저 가공 스텝[S-5]). 본 실시예에서는, 가공용 레이저 발생장치(14)로부터 발생한 가공용 레이저(X)를 광파이버(20)로 이끌고, 가공용 레이저 입사구(40)로부터 관형체(25) 내부에 입사한다. 그리고, 입사한 가공용 레이저(X)를 가공용 레이저 반반사미러(28)에서 반사함으로써 출사구(36)의 방향으로 방향을 바꾸어, 대물렌즈계(26)를 통과할 때에 집광시켜 피가공물(12)에 출사한다. 이 때, 레이저 출사부(22)는 사전에 레이저 출사부(22)의 합초점 위치에 정확하게 이동되어 있기 때문에, 피가공물(12)에 출사된 가공용 레이저(X)의 초점은 피가공물(12)에 대하여 높은 정밀도로 맞고, 가공용 레이저(X)의 에너지 밀도가 최대로 되는 초점 위치로 피가공물(12)을 가공할 수 있다.
또한, 본 실시예에서는, 대물렌즈계(26)를 포함시킨 레이저 출사부(22)전체를 레이저 출사부 구동장치(46)로 움직임으로써 초점 위치를 조정하고 있지만, 대물렌즈계(26)만을 이동시킴으로써 초점 위치를 조정하여도 좋다. 또한, 본 실시예에서는, 레이저 출사부(22)의 관형체(25)에 대하여 파이프를 사용하고 있지만, 이것에 한정되지 않으며, 각 파이프 등을 사용하여도 좋다. 또한, 본 실시예에서는, 조명광(Y)에 가시광이 사용되고 있지만, 에너지 밀도가 낮고 피가공물(12)을 파손할 우려가 없는 광선이라면, 다른 광선을 사용하여도 좋다.

Claims (3)

  1. (a) 가공용 레이저를 피가공물의 가공 위치로 출사하여 상기 피가공물을 가공하는 레이저 가공 장치로서,
    (b) 상기 가공용 레이저를 발생시키는 가공용 레이저 발생장치,
    (c) 상기 피가공물을 비추는 조명광을 발광하는 조명장치,
    (d) 상기 가공용 레이저 발생장치 및 상기 조명장치가 광학적으로 접속되고, 상기 가공용 레이저 및 상기 조명광을 상기 피가공물을 향하여 출사하는 레이저 출사부,
    (e) 상기 레이저 출사부를 상기 피가공물에 대하여 근접 이격시키는 레이저 출사부 구동장치,
    (f) 상기 레이저 출사부 구동장치에 의해 상기 피가공물에 대하여 상기 레이저 출사부를 근접 이격 방향으로 이동시키고, 상기 피가공물로부터의 상기 레이저 출사부의 이격거리가 다른 촬상 위치에서 상기 조명광으로 비추어진 상기 피가공물을 순차 촬상하는 카메라,
    (g) 다른 촬상위치에서 순차 촬상된 복수의 화상에 있어서, 상기 피가공물의 형상 검지에 사용하기 위해서 미리 설정된 화면내의 복수의 합초점 검출 위치에 대응하는 위치의 화소로서 검출한 합초점 검출 데이터를 순차 추출하고, 상기 합초점 검출 데이터의 변화에 기초하는 합초점 검출 파형을 상기 합초점 검출 위치마다 각각 형성하여 상기 각각의 합초점 검출 파형으로부터 산출된 상기 각각의 합초점 검출 위치에 있어서의 상기 각각의 합초점 검출 파형의 피크치를 비교하여,
    (g-1) 상기 피크치의 전부가 미리 결정된 범위내에 있는 경우는, 상기 피가공물을 양품으로 판정하고, 상기 피크치군의 산술 평균치 또는 상기 피크치군에 있어서의 평균치에 가장 가까운 피크치에 대응하는 위치를 상기 레이저 출사부의 합초점 위치로 하고, 상기 피가공물에 대한 합초점 위치까지 상기 레이저 출사부를 이동시키고, 그 후, 상기 레이저 출사부를 작동시켜 상기 피가공물을 향하여 레이저 출사에 의한 레이저 가공을 행하게 하는 지령을 상기 레이저 사출부에 출력하고,
    (g-2) 상기 피크치의 1이 미리 결정된 범위로부터 벗어난 경우에, 상기 피가공물을 불량품이라고 판정하여 레이저 출사를 행하지 않도록 하는 지령을 상기 레이저 출사부에 출력하는 화상 처리장치를 구비하는, 레이저 가공 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 피가공물은 직방체 또는 입방체이고,
    화상 처리의 상기 합초점 검출 위치가,
    (a) 상기 피가공물의 중앙과 각 각부의 5개의 점,
    (b) 상기 피가공물의 각 각부와 각 변의 8개의 점,
    (c) 상기 피가공물의 각 각부와 각 변 및 중앙의 9개의 점, 또는
    (d) 상기 피가공물의 각 각부와 각 변 및 중앙의 9개의 점에 더한 상기 피가공물의 평면상의 임의의 점인 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 가공용 레이저가 2차 이상의 고차 고조파인 것을 특징으로 하는 레이저 가공 장치.
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